CN109374670B - 一种土壤热导率剖面特征测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种土壤热导率剖面特征测量仪，该测量仪包含一根50cm长的不锈钢钢管，内部安装有螺旋形加热电阻丝及不同间隔距离的7个温度传感器，可以测定地表以下2cm，5cm，10cm，15cm，25cm，35cm和50cm深处的土壤热导率或热阻率和温度的动态变化。本发明解决了传统方法需要安装多个热导率和温度传感器才能测定土壤剖面热导率和温度变化特征的问题，利用同一探头实现多层次土壤热导率和温度的观测工作，具有原位自动监测、精度高、使用便捷、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量仪器，具体涉及一种土壤热导率剖面特征测量仪。
背景技术
土壤热导率，又称导热系数，是表征土壤传递热量能力的指标，是单位温度梯度下传导的热通量。土壤热导率的倒数为热阻率。土壤热导率和温度（地温）是影响种子萌发，植物和农作物生长发育，根系活动及土壤中各种生物化学过程的关键因素。由于成土过程及生物的影响，土壤剖面存在高度的异质性（如：剖面上不同深度土壤的容重，质地，含水量和有机质含量不同） 导致土壤剖面上热导率的异质性。
目前，土壤热导率测定方法分为稳态法和非稳态法。稳态法加热时间长， 加热导致的温度梯度会使水分发生迁移、相变和再分布，从而造成测量误差。瞬态法（非稳态法）测定土壤热导率时加热时间短，对水分迁移、相变和再分布影响较小，测定结果更准确。测定土壤热导率的瞬态法主要包括热线法、热探针法、单针/双针热脉冲法、平面热源法、热带法、激光闪射法等，其中热线法、热探针法、单针/双针热脉冲法等统称热脉冲法，是目前应用最广泛， 也是唯一能够实现室内和野外连续快速准确测定土壤热导率的技术。
热脉冲技术的原理是通过监测瞬态线性热源在各向同性的介质中产生的温度场变化特征，并通过求解热传导方程来获得土壤的热导率的一种方法。根据探针的外形可将热脉冲技术分为单针热脉冲探头和双针/多针热脉冲探头。相对于双针/多针热脉冲探头，单针热脉冲探头的测量结果不受探针间距变化的影响，而且可以根据需要设计探针的长度，扩大测定土体的范围。但是目前的单针热脉冲探头只能测定探针插入位置土壤的平均热导率，如何利用单针热脉冲探头用于原位连续自动测定不同深度土壤热导率是有待解决的一项关键技术。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题提供一种土壤热导率剖面特征测量仪，该测量仪将有助于应用热脉冲技术在室内外连续自动准确获取土壤热导率剖面特征，而且结构简单，使用方便。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种土壤热导率剖面特征测量仪，由单针热脉冲探头和辅助钻孔器组成，所述的单针热脉冲探头由数据采集器、手柄、导线电缆、集成电路板、温度传感器导线、不锈钢管、圆形尖头、温度传感器、导热环氧树脂及加热电阻丝组成，所述的导线电缆的一端与数据采集器连接，另一端从手柄底部穿过与安装在其中心的集成电路板连接；所述的集成电路板上连接有温度传感器导线；所述的温度传感器导线延伸入不锈钢管的底部，其上从上到下依次安装有若干个温度传感器；所述的不锈钢管一端伸入手柄内通过灌入聚氯乙烯 PVC 或绝热环氧树脂材料与手柄的内部凝固，其另一端与圆形尖头连接；所述的加热电阻丝螺旋形放置在不锈钢管内，所述的温度传感器、加热电阻丝和不锈钢管之间的孔隙空隙间填充有导热环氧树脂。
所述的辅助钻孔器由不锈钢棒、不锈钢手柄、圆形气泡水平及圆盘组成，
所述的不锈钢棒的一端与不锈钢手柄连接，其另一自由端呈圆形尖头；所述的圆盘套在不锈钢棒上并在接近不锈钢手柄处固定，所述的圆形气泡水平安装在不锈钢手柄的中心。
所述的手柄的规格是长 3 cm×宽 2 cm×高 5 cm。
所述的温度传感器为NTC 热敏电阻或E 型、K 型、T 型热电偶中的任一种。所述的加热电阻丝延伸至圆形尖头处。
所述加热电阻丝为镍铬合金线，总阻值为 100 ～ 1000 Ω m-1。
本发明土壤热导率剖面特征测量仪，可用于测定土壤剖面不同深度的热导率及温度变化特征，是预测和模拟气候变化条件下地表能量平衡等地球与环境科学研究，指导农林业生产活动，岩土和地质环境工程建设的重要手段。
本发明土壤热导率剖面特征测量仪，利用同一探头实现多层次土壤温度的观测工作，具有原位自动监测、精度高、易安装，使用便捷、成本低等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图 1 是本发明土壤热导率剖面特征测量仪的单针热脉冲探头的剖面图；
图 2 是本发明土壤热导率剖面特征测量仪的辅助钻孔器的结构图；
图中：1-数据采集器，2—探头头部，3—导线电缆，4—集成电路板，5— 温度传感器导线，6—不锈钢钢管，7—圆形尖头，8—温度传感器，9—导热环氧树脂，10—加热电阻丝，11—不锈钢棒，12—辅助钻孔器手柄，13—不锈钢圆盘，14—圆形气泡水平仪。
具体实施方式
图 1 给出了本发明一种土壤热导率剖面特征测量仪的剖面图，由单针热脉冲探头和辅助钻孔器组成，所述的单针热脉冲探头由数据采集器 1、手柄 2、导线电缆 3、集成电路板 4、温度传感器导线 5、不锈钢管 6、圆形尖头7、温度传感器 8、导热环氧树脂 9 及加热电阻丝 10 组成，所述的导线电缆 3的一端与数据采集器 1 连接，另一端从手柄 2底部穿过与安装在其中心的集成电路板 4 连接；所述的集成电路板 4 上连接有温度传感器导线 5；所述的温度传感器导线 5 延伸入不锈钢管 6 的底部，其上从上到下依次安装有若干个温度传感器8；所述的不锈钢管6 一端伸入手柄2 内通过灌入聚氯乙烯PVC或绝热环氧树脂材料与手柄 2 的内部凝固，其另一端与圆形尖头 7 连接；所述的加热电阻丝 10螺旋形放置在不锈钢管 6 内，所述的温度传感器 8、加热电阻丝 10 和不锈钢管 6 之间的孔隙空隙间填充有导热环氧树脂 9。
图 2 是本发明一种土壤热导率剖面特征测量仪的辅助钻孔器的结构图，辅助钻孔器由不锈钢棒 11、不锈钢手柄 12、圆形气泡水平 13 及圆盘 14组成，所述的不锈钢棒11 的一端与不锈钢手柄 12 连接，其另一自由端呈圆形尖头；所述的圆盘 14 套在不锈钢棒 11 上并在接近不锈钢手柄 12 处固定，所述的圆形气泡水平 13 安装在不锈钢手柄12 的中心。
所述的手柄 2 的规格是长 3 cm×宽 2 cm×高 5 cm。
所述的温度传感器 8 为NTC 热敏电阻或 E 型、K 型、T 型热电偶中的任一种。
所述的加热电阻丝 10 延伸至圆形尖头 7 处，所述加热电阻丝 10 为镍铬合金线，总阻值为100 ～ 1000 Ω m-1。
所述的不锈钢管 6 的外径为 2.5 mm，长 50 cm，不锈钢管顶部进行锐化处理 7，便于插入土壤。所述不锈钢管 6 也可根据需要设计为不同的直径和长度。
所述的不锈钢管 6 的内部放置有 7 个温度传感器 8 和螺旋形放置的加热电阻丝 10。
所述温度传感器 8 与所述手柄底部的距离分别为 2 cm，5 cm，10 cm， 15 cm，25cm，30 cm，50 cm。
所述不锈钢管 6 的内的温度传感器 8 也可根据需要设计为不同的数量和间距。
所述辅助钻孔器的不锈钢棒 11 的直径和长度与探头配套，顶部为经过锐化处理的圆形尖头。
所述辅助钻孔器的不锈钢手柄 12 中间嵌入一个圆形气泡水平 14。
所述辅助钻孔器的不锈钢手柄 12 下方约 10cm 处为一圆形不锈钢圆盘 13。
所述圆形不锈钢圆盘 13 直径为 5cm，厚度 3 mm，上下表面光滑水平。
本发明一种土壤热导率剖面特征测量仪的使用步骤：
下面以 50 cm 的土壤温度剖面测量探头测定土壤剖面温度为例说明该仪器的使用步骤：
第一步，选择仪器安装地点，清理出一小块平整的地表(切忌踩踏实验地点)。
第二步，将辅助钻孔器沿垂直方向缓慢插入土壤直到不锈钢板紧密接触地表为止，在插入辅助钻孔器的过程中应保持原型气泡水平仪的气泡始终位于中心位置。之后沿垂直方向缓慢取出辅助钻孔器，可通过小幅旋转辅助钻孔器手柄来帮助取出辅助钻孔器，取出的过程中应避免晃动辅助钻孔器导致钻孔的孔径变化、表层土壤结构的破坏及钻孔的堵塞等情况。
第三步，沿钻孔插入土壤温度剖面测量探头，恢复地表原有的覆盖物（如草，树叶等）。连接电源，通过数据采集器来控制加热时间长度及加热频率， 温度数据采集频率。加热时间建议控制在 5~10 分钟每次，两次加热时间间隔 2 小时以上。
第四步，实验完毕，读取数据采集器中储存的数据，取出土壤温度剖面测量探头。根据实际需要也可以将土壤温度剖面测量探头留在土壤中用于长期观测。上述实施例仅用于说明本发明，其中探针的长度、温度传感器的类型、数量和间距、电阻丝的类型和电阻值、各部件的连接方式、辅助钻孔器的结构材料等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进
行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (3)
1.一种土壤热导率剖面特征测量仪，由单针热导率探头和辅助钻孔器组成，其特征在于，所述的单针热导率探头由数据采集器（1）、手柄（2）、导线电缆（3）、集成电路板（4）、温度传感器导线（5）、不锈钢管（6）、圆形尖头（7）、温度传感器（8）、导热环氧树脂（9）及加热电阻丝（10）组成，所述的导线电缆（3）的一端与数据采集器（1）连接，另一端从手柄（2）底部穿过与安装在其中心的集成电路板（4）连接；所述的集成电路板（4）上连接有温度传感器导线（5）；所述的温度传感器导线（5）延伸入不锈钢管（6）的底部，其上从上到下依次安装有若干个温度传感器（8）；所述的不锈钢管（6）一端伸入手柄（2）内通过灌入聚氯乙烯PVC或绝热环氧树脂材料与手柄（2）的内部凝固，其另一端与圆形尖头（7）连接；所述的加热电阻丝（10）螺旋形放置在不锈钢管（6）内，所述的温度传感器（8）、加热电阻丝（10）和不锈钢管（6）之间的孔隙空隙间填充有导热环氧树脂（9）；所述的辅助钻孔器由不锈钢棒（11）、不锈钢手柄（12）、圆形气泡水平（13）及圆盘（14）组成，所述的不锈钢棒（11）的一端与不锈钢手柄（12）连接，其另一自由端呈圆形尖头；所述的圆盘（14）套在不锈钢棒（11）上并在接近不锈钢手柄（12）处固定，所述的圆形气泡水平（13）安装在不锈钢手柄（12）的中心；所述的加热电阻丝（10）延伸至圆形尖头（7）处；所述的手柄（2）的规格是长3cm×宽2cm×高5cm。
2.根据权利要求1所述的一种土壤热导率剖面特征测量仪，其特征在于，所述的温度传感器（8）为NTC热敏电阻或E型、K型、T型热电偶中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种土壤热导率剖面特征测量仪，其特征在于，所述加热电阻丝（10）为镍铬合金线，总阻值为100～1000Ωm-1。
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